CC BY
41
--------------------------------- © В.К. Костенко, Е.В. Шевченко,
2009
УДК 622.457.2
В.К. Костенко, Е.В. Шевченко
ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ УПРАВЛЕНИЯМЕТАНОВЫДЕЛЕНИЕМ ИЗ ТРАНСПОРТИРУЕМОЙ ГОРНОЙ МАССЫ
Рассмотрен вопрос управления метановыделением из транспортируемой по шахтным выработкам горной массы в условиях интенсивной отработки угольных пластов, сопровождающейся усиленным поступлением газа со свежей струей в очистную выработку, ухудшением безопасности и экологической обстановки в шахте.
Ключевые слова: транспортирование угля, метановыделение, воздухоподающие выработки.
С ростом нагрузки на очистные забои, увеличением на глубоких горизонтах природной метаноносности угольных пластов, деформированием на больших глубинах и, соответственно, уменьшением площади сечения воздухоподающих выработок обозначилась проблема повышенного притока метана с поступающей в очистные забои струей воздуха. Из транспортируемых по выработкам грузопотоков выделяются газы, которые возвращаются в очистные выработки, добавляются к поступающему из пласта, вмещающих пород и выработанного пространства метану, это обуславливает ограничение максимально допустимой нагрузки на очистной забой. Уносимые с поверхности транспортируемого угля метан и пыль, смешиваясь с воздухом, создают взрыво- пожароопасную среду. Управление метановыделением, на данном этапе транспортировки угля является одной из наименее изученных и не решенной в техническом плане задачей. Актуальность исследования данного процесса, в первую очередь связана с обеспечением безопасности и эффективности труда, так как выделяющийся из транспортируемого угля метан сдерживает интенсивную отработку угольных пластов. Следует отметить, что выделяющиеся при транспортировке газы, пыль и теплота ухудшают санитарные кондиции шахтного воздуха.
Со свободным выделением метана в атмосферу горных выработок связано также ухудшение экологической обстановки, вблизи
угледобывающих предприятий, десорбирующийся из угля и породы газ поступает с исходящей струей воздуха из шахты на поверхность, способствуя парниковому эффекту.
В связи с этим, разработка эффективных методов управления выделением метана из отбитой от забоя угольной массы, позволяющих повышать нагрузку на забои, обеспечивать безопасные условия труда и улучшать экологическую обстановку, представляется весьма актуальной.
«Правилами безопасности в угольных шахтах» [1] нормируется, концентрация метана в поступающей к забоям свежей струе не более С0=0,5%, а также минимальная и максимальная скорость движения воздуха. Минимальная скорость движения воздуха в выработке должна быть не менее 0,25м/с, максимальная - зависит от типа выработок и их назначения (утах в лаве- до 4м/с, всех типах пройденных по углю выработок - до 6 м/с, стволах с людскими подъемами - 8 до м/с, стволах грузовых - до 12 м/с). В силу того, что сечение воздухоподающих выработок конструктивно ограничено, скорость движения струи воздуха лимитирована, с увеличением нагрузки на очистной забой усиливается поступление к нему метана вместе со свежей струей. Максимальное количество подаваемого в лаву воздуха не может превышать значение:
Qmax ”^тах' 8
а максимально допустимое количество поступающего в лаву метана не может превышать: qmax=0,005•Qmax=0,005•Vmax•S,
где vmax - максимально допустимая скорость воздуха в воздухоподающей выработке; 8 - площадь сечения этой выработки.
Замедление транспортирования угля по очистной выработке для обеспечения выделения в него большего количества метана также не представляется возможным из-за ограничения содержания в исходящей из лавы воздушной струе. Максимально допустимое содержание метана при этом не может быть больше С=1% (1,3% -при наличии аппаратуры АГК - автоматического газового контроля), а его количество:
qЛmax=0,01•QЛmax=0,01•VЛmax•SЛ
(или qЛmax=0,013•QЛmax=0,013•VЛmax• 8Л),
где Qлmax, у’шж, 8Л - соответственно для лавы: максимально допустимый расход и скорость движения воздуха; площадь поперечного сечения.
Таким образом, допустимое выделение метана в лаве ограничено количеством поступающего со свежим воздухом газа и (при отсутствии АГК) не может быть больше: qЛmax - qmax = 0,01'ултах^л- 0,005'Утах^ .
Основываясь на приведенной в нормативном документе [2] зависимости максимально возможной по газовому фак-тору нагрузки на очистной забой, можно оценить влияние содержащегося в свежей струе метана на интенсивность горных работ.
А = А I_1,67
тах р р
где I - средняя абсолютная метанообильность очистной выработки, м3/мин; Ар - расчетная нагрузка на очистной забой, т/сут; бтах - максимальный расход воздуха в очистной выработке,
м3/мин; С, С 0- допустимые концентрации метана в исходящей из
очистной горной выработки (1%) и поступающей на выемочный участок (0.. .0,5%) вентиляционных струях.
Сгруппировав постоянные для определенного очистного забоя величины Ар, 1р, бтах , сведем их в единую константу константу - а.
После упрощения формулы получим удобное для расчетов выражение:
Атах • ^ = С - С„ Г
Из нее следует, что максимальная нагрузка на очистной забой находится в степенной зависимости от разностной концентрации метана в вентиляционных потоках: поступающем к очистной выработке и исходящем из нее:
А (С - Со г
тах '
а
Рассчитав Амах для значений С0 (в пределах от 0 до 0,5%) при С=1%, получим наглядную зависимость максимально допустимой нагрузки на очистной забой от концентрации метана (рис. 1).
от ах (с - С)
194
Содержание метана, Со %
Рис. 1. Влияние содержащегося в поступающей воздушной струе метана (С0) на показатель производительности очистного забоя (Атаха)
Она позволяет видеть, что при увеличении содержания метана от 0 до 0,5% в поступающем в лаву воздухе, в три-четыре раза сокращается возможность интенсивной отработки угольных пластов.
Целью данной статьи является: обоснование перспективных направлений управления процессом десорбции метана из отбитой от забоя горной массы, при снижении негативных последствий для окружающей природной среды, создании безопасных условий труда и, как следствие, получения максимально возможного экологоэкономического эффекта.
Такое технологическое решение, в первом приближении, состоит из двух взаимно противоречивых процессов. Во-первых, необходимо добиться снижения десорбции метана из отбитого угля в период его транспортировки по лаве и расположенному в воздухоподающей выработке ленточному конвейеру. А затем, в удобном для этого месте, обеспечить интенсивную газоотдачу с одновременным каптажем метана. При реализации такой технологии схематично метановыделение из отбитого угля выглядит следующим образом (рис. 2).
В период (^) транспортировки по лаве и по штреку отбитой горной массы принимаются меры по снижению газоотдачи из нее. Наиболее простым представляется использование для этого водных растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ). Возможно применение двух технологических приемов. Первый из них состоит в нанесении раствора на поверхность разрушенного угля. При этом под действием капиллярных сил растворы проникают в трещины и поры угля и «запирают» метан в них, препятствуя свободному выделению его в атмосферу. Еще один вариант ограничения метано-выделения состоит в укрытии транспортируемого угля слоем воз-душно-механи-ческой пены, которая позволяет изолировать полезное ископаемое от воздушного потока.
q„
Рис. 2. Режимы метановыде-ления во время ф транспортирования отбитой горной массы по горным выработкам:
1 - существующий; 2 - предлагаемый; t2. ^ - характерные
периоды десорбции метана при, соответственно: транспортиро-
вании; складировании в бункере; нахождении в открытом пространстве
0 І
І 2
І з І
В настоящее время возможен еще ряд способов ограничения десорбции газа из отбитого угля. Можно, например, существенно увеличить скорость транспортирования отбитой горной массы по выработкам, значительно сократив длительность периода t1. Существует устройство, позволяющее снизить метано - пыле - тепловыделение из отбитой горной массы в горную выработку - трубчатый ленточный конвейер (ТЛК) [3]. В ТЛК непрерывно подаваемый на плоскую часть ленты груз увлекается ею, и обжимается при сворачивании ленты в трубу. При данном способе транспортирования полезного ископаемого уменьшается теплообмен между ним и воздушным потоком, отсутствует сдувание пыли, десорбирующийся метан удерживается в изолированном пространстве внутри трубы. Сохраняя все преимущества обычного ленточного, ТЛК значительно превосходит его по возможности изменения радиуса изгиба става в горизонтальной и вертикальной плоскости. Находящийся внутри трубы транспортируемый груз имеет ограниченный контакт с окружающей атмосферой горной выработки, выделяющийся свободный метан преимущественно остается внутри этого изолированного пространства.
Можно предположить, что наибольший эффект в период t1 можно достичь комбинацией применения растворов ПАВ при транспортировке отбитой горной массы от забоя до ленточного конвейера, а затем используя ТЛК (рис. 3). При использовании
ТЛК также можно не опасаться, что эффект скатывания груза приведет к повышенному износу или возгоранию конвейерной ленты. Поскольку во время транспортировки горной массы с помощью ТЛК отсутствует просыпание с ленты в местах изменения угла наклона ленты в горизонтальной плоскости, и образование заторов угля в местах изменения угла наклона конвейерного става в вертикальной плоскости, влекущих повышенный нагрев поверхности ленты, отсутствует необходимость в установке дополнительных средств контроля, в частности датчиков контроля схода ленты.
Однако, только использование ТЛК не обеспечивает существенного повышения уровня охраны труда и экологической безопасности. Пыль, а в особенности метан, выделяются в атмосферу в местах перегрузки и складирования горной массы в бункерах. При этом основная часть газов поступает в очистную выработку и, в конечном итоге, в атмосферу. Следовательно, необходимы дополнительные меры управления потоками газа, пыли и тепла в выработках со свежей струей.
Представляется целесообразным герметизировать места перегрузки и складирования горной массы, а также соединить изолированную полость с дегазационным трубопроводом. Разряжение, создаваемое дегазационными вакуум-насосами, в бункерах будет способствовать интенсивному выделению метана из угля (период ^). А отсос газовой смеси из ограниченного объема бункера с последующей утилизацией - способствовать
удалению метана из горных выработок и достижению поставленных целей: повышению нагрузки на очистной забой с повышением при этом безопасности труда и уменьшением негативного воздействия на окружающую природную среду. Отрицательная сторона такой технологии состоит в необходимости длительного нахождения угля в бункере для более полного удаления газа и увеличении его размеров, что дорого и не всегда возможно в подземных условиях. Добиться уменьшения размеров бункера и срока складирования горной массы возможно, оказывая на нее стимулирующее дегазацию воздействие, например, электрогидродинамическим воздействием [4] или другим способом. В этом направлении необходимо провести дополнительные исследования.
После выгрузки из бункера уголь с пониженным содержанием метана представляет меньшую угрозу для окружающей среды
Рис.3. Схема транспортирования угля из очистного забоя до бункера: 1 - исполнительный орган выемочного комбайна; 2 - форсунки для подачи водного раствора поверхностно-активного вещества; 3 - скребковый конвейер; 4 - скребковый перегружатель; 5 - трубчатый ленточный конвейер; 6 - бункер; 7 - источник высокочастотного электромагнитного излучения; 8 - дегазационный трубопровод
и безопасности ведения горных работ. Выделение опасных газовых компонентов из него резко уменьшается (период /3).
Таким образом, выполненный анализ позволяет сделать заключение о том, что управляя выделением метана из отбитой горной массы можно достичь существенного увеличения на очистной забой. Теоретические выкладки показывают, что можно повысить добычу из лавы в три-четыре раза. При этом достигается значительное снижение негативных факторов безопасности труда, в первую очередь загазовывания и запыления воздушных потоков. Кроме того, за счет каптажа метана системами дегазации и последующей его утилизации обеспечивается улучшение экологической об-
становки как за счет снижения выброса парниковых газов, так из-за рационального использования природных ресурсов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ДНАОП 10.0-1.01-96. Правила безпеки у вугшьних шахтах. - К.: Основа, 1996. -417 с.
2. ДНАОП 11.30-6.09.93 Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт - К.: Основа, 1994. -312 с.
3. Перспективы применения трубчатых ленточных конвейеров в условиях отработки угольных пластов в пределах шахтных полей шахт ”Павлоградская” и ”Терновская”/Материалы междунар. науч.-практ. конф. ’’Современные проблемы и перспективы развития транспорта горных предприятий”//Днепропетровск. НГУ. 2007.- С. 34-37.
4. Алексеев А.Д., Кириллов А.К., Шажко Я.В., Брюханов А.М., Мнухин А.Г. Электромагнитный метод дегазации угольного пласта/Тез. докл. 2-й междунар. науч.-практ. конф. «Пути повышения безопасности горных работ в угольной от-расли»/Макеевка, МакНИИ, 2007. - С. 97-100. liarj=l
Kostenko V.K., Shevchenko Е. V.
INDUSTRIAL AND ECOLOGICAL ASPECTS OF METHANE DISCHARGE MANAGEMENT FROM THE TRANSPORTED ROCK MASS
It is considered the management question of methane discharge from rock mass transported by mine developments in the conditions of intensive coal layers developing accompanied by intensified gas receipt with a fresh stream to a stope, and by deterioration of safety and ecological conditions in this mine.
Key words: coal transportation, methane emission, airsupplying excavations.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------
Костенко В.К. - профессор, доктор технических наук, зав. каф. природоохранной деятельности,
Шевченко Е.В. - аспирант,
Донецкий национальный технический университет, Украина,
E-mail: vkkostenko@dgtu.donetsk.ua
